王 瀚，彭花明，劉海金，龔志軍，楊永樂

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，330013，南昌)

0 引言

鄱陽湖是我國最大的淡水湖[1-2]，其對江西省的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化和生態(tài)都起到不可替代的作用。近代時(shí)期鄱陽湖表現(xiàn)為一個(gè)水位變化極端的湖泊[3]，具有“洪期一片是湖、枯期一線似河”的獨(dú)特景觀[4-5]。正由于鄱陽湖水位年際和季節(jié)性巨變特征，使得鄱陽湖地區(qū)成為我國洪澇災(zāi)害嚴(yán)重發(fā)生區(qū)之一。繼1998年特大洪澇災(zāi)害，2020年鄱陽湖又出現(xiàn)新高水位事件，致使農(nóng)作物受災(zāi)面積7 420 km2，導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失313.3億元[6-7]。因此，對鄱陽湖2020年新高水位事件開展定量分析，對今后鄱陽湖經(jīng)濟(jì)圈的供水、防洪和生態(tài)安全決策具有重要意義。

極端降雨是引發(fā)流域性洪災(zāi)的一個(gè)重要因素[8-9]。因此有不少學(xué)者從氣候降雨角度對鄱陽湖區(qū)的水文過程開展分析，例如，劉劍宇等[10]利用1955—2009年鄱陽湖流域外洲、李家渡等6個(gè)水文站洪水發(fā)生數(shù)據(jù)與氣候指標(biāo)相關(guān)系，發(fā)現(xiàn)ENSO、IOD 2個(gè)氣候指標(biāo)對鄱陽湖流域洪水發(fā)生次數(shù)有顯著影響；雷享勇等[11]利用鄱陽湖流域1959—2019年16個(gè)氣象站降雨數(shù)據(jù)分析鄱陽湖流域極端降雨時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)鄱陽湖流域極端降雨的強(qiáng)度及頻率呈明顯增長趨勢，極端降雨時(shí)間持續(xù)性呈下降趨勢；Li等[12]通過對鄱陽湖近60年歷史洪水特征進(jìn)行分析，認(rèn)為氣候因素所引起汛期極端降水是20世紀(jì)90年代鄱陽湖特大洪澇災(zāi)害發(fā)生的主要原因。綜上所述，大部分學(xué)者認(rèn)為氣候降雨因素是造成鄱陽湖近代洪水位事件的一個(gè)最關(guān)鍵因素。需要強(qiáng)調(diào)的是，以上認(rèn)識(shí)多基于鄱陽湖近代短時(shí)間尺度的水文過程研究。然而，要更加全面地認(rèn)識(shí)鄱陽湖洪澇災(zāi)害的影響因素及驅(qū)動(dòng)機(jī)制等，還需要在不同時(shí)間尺度下定量分析氣候降雨因素對鄱陽湖水位變化的影響。

本次研究首先基于短時(shí)間尺度，利用泰森多邊形法計(jì)算分析了鄱陽湖區(qū)域近20年極端降雨參數(shù)，并從極端降雨角度對鄱陽湖2020年新高水位事件進(jìn)行了初步分析。之后，基于古文獻(xiàn)記載和ArcGIS軟件，模擬反演初唐時(shí)期鄱陽湖的水位高程，并討論了其與當(dāng)時(shí)氣候降雨的對應(yīng)關(guān)系。通過這些不同時(shí)間尺度的對比分析，有助于進(jìn)一步提高人們對洪災(zāi)的認(rèn)識(shí)，并為未來鄱陽湖流域的防洪減災(zāi)工作提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄱陽湖(28°22′～29°45′N、115°47′～116°45′E)位于江西省北部，長江以南的地區(qū)(圖1)，屬于亞熱帶濕潤性季風(fēng)型氣候[13]。鄱陽湖是一個(gè)通江湖泊，北與長江相臨，其余三面環(huán)山，江西境內(nèi)95%的水資源都通過贛江、撫河、信江、饒河及修水(通常稱為“五河”)流進(jìn)鄱陽湖，最后從湖口注進(jìn)長江。在江、河、湖共同作用下，鄱陽湖地區(qū)成為了一個(gè)集水資源、生物資源、旅游資源于一體的生態(tài)濕地[14]。同時(shí)，鄱陽湖也是重要的糧食生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量占到江西省的1/4?？傊?，鄱陽湖地區(qū)在調(diào)節(jié)長江徑流、保護(hù)生物多樣性、促進(jìn)周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展等方面具有重要作用。

圖1 鄱陽湖流域及氣象站位置分布圖

2 2020年鄱陽湖水位變化過程

2020年進(jìn)入梅雨季節(jié)之后，強(qiáng)降雨導(dǎo)致我國中南部多地河流湖泊水位相繼超過警水線，其中，鄱陽湖的洪澇災(zāi)情極其嚴(yán)重。2020年6月下旬到7月上旬，長江中下游地區(qū)降雨量是多年平均的1.5倍。鄱陽湖水位自6月下旬開始持續(xù)上漲，尤其是7月上旬，鄱陽湖水位連續(xù)8 d日均漲幅都大于0.4 m，最大單日漲幅達(dá)到0.65 m，5月下旬鄱陽湖水域面積為2 207 km2，7月上旬面積為4 403 km2，7月上旬較5月下旬相比面積增長了近1倍，7月上旬水域面積相比往年平均值(3 510 km2)大了25%[15]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，7月1—10日時(shí)間全省的降雨量228 mm，是常年均值的4倍，列歷史記錄第一位[7]，特別是7月8—9日，全省降雨量達(dá)到108 mm，是1961年至今記錄氣象數(shù)據(jù)以來之最。

2020年1周內(nèi)鄱陽湖流域連續(xù)發(fā)生12次編號(hào)洪水，甚至鄱陽湖星子站、修河永修站等多站的水位都超過了歷史記錄。從圖2鄱陽湖星子站的水位記錄來看，鄱陽湖水位于6月下旬開始上漲，在7月5日02:00鄱陽湖星子站水位突破預(yù)警水位(19 m)，7月12日02:00，快速突破有記錄以來的歷史最高水位(22.52 m)，在7月12日23:00鄱陽湖星子站水位達(dá)22.63 m，超出警水位3.63 m，成有記錄以來的歷史最高值。

圖2 2020年3月1日至8月17日鄱陽湖星子站水位變化

3 數(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究鄱陽湖流域1998—2020年23個(gè)氣象站逐日降雨數(shù)據(jù)來源于氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，逐日降雨數(shù)據(jù)缺失量低于5%。分析時(shí)，對缺失數(shù)據(jù)采用插值法進(jìn)行插值處理[16]。本次研究選取了鄱陽湖流域23個(gè)氣象站點(diǎn)：修水站、宜豐站、蓮花站、宜春站、吉安站、井岡山站、遂川站、贛州站、靖安站、南昌站、樟樹站、德興站、貴溪站、玉山站、上饒站、永豐站、南城站、南豐站、寧都站、廣昌站、龍南站、尋烏站和鄱陽站。這些站點(diǎn)位置覆蓋了整個(gè)鄱陽湖流域(圖1)。本文中用于模擬鄱陽湖水位淹沒的數(shù)字高程模型(DEM)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)(http://www.gscloud.cn)，數(shù)據(jù)分辨率為90 m。

3.2 指標(biāo)選擇

本次研究選取5個(gè)極端降雨指標(biāo)，分別是單日最大降雨量、極端降雨量、強(qiáng)降雨日數(shù)、極端降雨日數(shù)和持續(xù)降雨日數(shù)(表1)。這些指標(biāo)用來表征一段時(shí)間內(nèi)降雨量的極端性和降雨時(shí)間的極端性[17-18]。其中，單次最大降雨量和極端降雨量兩個(gè)指標(biāo)可用表示降雨量的極端性；而強(qiáng)降雨日數(shù)、極端降雨日數(shù)和持續(xù)降雨日數(shù)3個(gè)指標(biāo)則可用表示降雨時(shí)間的極端性。

表1 極端降雨指數(shù)及定義

3.3 泰森多邊形法

泰森多邊形法又稱加權(quán)平均法或垂直平分法，是由荷蘭氣象學(xué)家A·H·Thiessen提出的一種通過離散分布站點(diǎn)的降雨量來計(jì)算區(qū)域平均雨量的方法[19-21]。依據(jù)該方法，整個(gè)鄱陽湖流域就構(gòu)成一個(gè)泰森多邊形網(wǎng)。在這個(gè)網(wǎng)內(nèi)，每一個(gè)泰森多邊形都對應(yīng)一個(gè)氣象站，每個(gè)氣象站都會(huì)得到一個(gè)面積權(quán)重系數(shù)，用各氣象站的相應(yīng)權(quán)重系數(shù)乘于該氣象站的降雨量后相加，就能得到整個(gè)鄱陽湖流域的加權(quán)平均降雨量。其計(jì)算公式如下：

P=f1P1+f2P2+…+fnPn

(1)

式中：P為流域面加權(quán)平均雨量(mm)， f為流域內(nèi)各氣象站多邊形面積計(jì)算的權(quán)重系數(shù)(km2)，P為各氣象站點(diǎn)同時(shí)期降雨量(mm)。

4 數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)泰森多邊形法，基于ArcGIS軟件計(jì)算出了鄱陽湖流域23個(gè)氣象站所占的面積大小和面積權(quán)重系數(shù)(圖3、表2)。

圖3 鄱陽湖流域各氣象站泰森多邊形面積分配圖

表2 鄱陽湖流域各氣象站面積系數(shù)

根據(jù)泰森多邊形法的計(jì)算公式，從計(jì)算得到的結(jié)果(表3)可以看出，2020年降雨量的極端性指標(biāo)(單日最大降雨量、極端降雨量)大于1998年，而2020年降雨時(shí)間的極端性指標(biāo)(強(qiáng)降雨日數(shù)、極端降雨日數(shù)和持續(xù)降雨日數(shù))小于1998年。

表3 1998年和2020年汛期極端降雨指標(biāo)對比

4.1 1998—2020年鄱陽湖降雨量極端性分析

通過對比2020年和1998年鄱陽湖汛期時(shí)發(fā)生極端降雨的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)造成2020年水位超過1998年最高水位的一個(gè)可能重要原因?yàn)?020年降雨量的極端性強(qiáng)。為進(jìn)一步確認(rèn)鄱陽湖汛期降雨量的極端性與鄱陽湖超高水位的關(guān)系，本次研究還對鄱陽湖流域1998—2020年近20年汛期降雨量的極端性指標(biāo)進(jìn)行分析(圖4)。通過分析，發(fā)現(xiàn)有2個(gè)年份的汛期降雨量極端性指標(biāo)與2020年接近。第1個(gè)年份為2010年，其日最大降水指標(biāo)和極端降水量分別為131.23 mm和257.26 mm。然而，2010年的最高水位沒有超過1998年，這可能是由于2010年的汛期降雨時(shí)間的極端性比1998年低所致(例如2010年的強(qiáng)降水日數(shù)指標(biāo)僅為1998年的76%)。第2個(gè)年份為2019年，該年單日最大降水指標(biāo)和極端降水量指標(biāo)甚至比2020年分別高～6%和～10%，而2019年汛期降雨時(shí)間的極端性與2020年相當(dāng)(例如，2019年強(qiáng)降水日數(shù)指標(biāo)值比2020年高～4%，2019年極端降水日數(shù)指標(biāo)值比2020年低～2%)。然而2020年出現(xiàn)了新高水位事件，2019年卻沒有出現(xiàn)新高水位事件。2019年最高水位僅為20.68 m，比2020年的最高水位低了1.95 m。因此，通過對比分析結(jié)果，認(rèn)為單從氣候降雨因素，特別是僅從降雨量的極端性強(qiáng)弱不足以解釋2020年出現(xiàn)新高水位事件。

圖4 1998—2020年汛期鄱陽湖流域單日最大降雨量、極端降雨量指標(biāo)變化

4.2 初唐時(shí)期古水文模擬與對比分析

為進(jìn)一步厘定氣候降雨因素與鄱陽湖水位的關(guān)系，本次研究利用ArcGIS軟件對鄱陽湖初唐時(shí)期的水位進(jìn)行反演模擬。依據(jù)古文獻(xiàn)中，王勃在《滕王閣序》中描述的“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色。漁舟唱晚，響窮彭蠡之濱”詩句(注：彭蠡是古代對鄱陽湖的別稱，滕王閣位于南昌市)，因此有學(xué)者認(rèn)為在初唐時(shí)期鄱陽湖的水位淹至南昌附近[22]。分析時(shí)，首先對鄱陽湖1998年最高水位22.52 m(吳淞高程)的水域范圍利用ArcGIS軟件進(jìn)行的反演模擬(圖5)，并與1998年8月25日(洪期)的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)比較吻合。之后在1998年的最高水位22.52 m基礎(chǔ)上，逐步增加1 m，然后利用ArcGIS軟件對鄱陽湖的古湖水范圍進(jìn)行反演模擬。模擬結(jié)果顯示需要在1998年最高水位值基礎(chǔ)上，至少提高～5 m后才能反演模擬到初唐時(shí)期王勃在《滕王閣序》中所描述的鄱陽湖水文狀態(tài)(圖6)。然而，王勃所在的初唐是公元650—676年(圖7[23-24])，該段時(shí)間不屬于中世紀(jì)暖期(中世紀(jì)暖期為近2 000年內(nèi)氣候相對溫暖、降雨相對增強(qiáng)時(shí)期)。需要強(qiáng)調(diào)的是，此次反演模擬先進(jìn)行了前提假設(shè)：即鄱陽湖自初唐以來受到新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響弱，其地形起伏與現(xiàn)今狀態(tài)相當(dāng)。此次模擬結(jié)果說明了2種可能：1)前期假設(shè)正確，即鄱陽湖即使不在氣候相對溫暖、降雨相對增強(qiáng)的初唐時(shí)期，也能出現(xiàn)大湖期(其水位比1998年最高值至少高出～5 m)；2)前期假設(shè)錯(cuò)誤，鄱陽湖區(qū)域從初唐到現(xiàn)在，其地形由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生了明顯的變化。因此在利用ArcGIS軟件模擬時(shí)，不需要在1998年最高水位值基礎(chǔ)上提高～5 m，鄱陽湖就可以淹至南昌附近。無論以上哪種情況，都說明難以單用氣候降雨因素來解釋鄱陽湖在初唐時(shí)期與現(xiàn)在水文狀態(tài)的巨大差異。

圖5 鄱陽湖1998年最高水位ArcGIS模擬水域范圍與當(dāng)時(shí)衛(wèi)星遙感影像圖

圖6 鄱陽湖水位淹沒模擬圖

圖7 (a)鄱陽湖的鉀鈉比值；(b)歷史時(shí)期東亞季風(fēng)降雨量變化；(c)大坪泥炭的δ13C值

5 討論

本次研究通過分析近20年鄱陽湖流域降雨量的極端性對2020年新高水位事件的影響，發(fā)現(xiàn)僅從極端降雨因素難以解釋鄱陽湖2020年發(fā)生的新高水位事件。此外，根據(jù)近2 000年氣候降雨變化過程，基于古文獻(xiàn)記載和ArcGIS軟件水位淹沒模擬分析，發(fā)現(xiàn)氣候降雨因素不足以解釋初唐時(shí)期鄱陽湖水域范圍與現(xiàn)今鄱陽湖水域范圍的巨大差異。這些結(jié)果表明，除了氣候降雨因素，還有其它重要因素影響鄱陽湖的水文過程。例如，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方面，Hu等[25]認(rèn)為鄱陽湖的部分區(qū)域(松門島)自5 Ma以來以16 m Myr-1速率發(fā)生構(gòu)造抬升。譚其驤和張修桂依據(jù)古文獻(xiàn)記載認(rèn)為鄱陽湖地區(qū)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對鄱陽湖的水域面積有明顯影響[26]。另外，根據(jù)《地震歷史資料匯編》[27]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，僅在公元318—1947年范圍內(nèi)，鄱陽湖水域(28°22′～29°45′N、115°47′～116°45′E)范圍的古地震記錄就多達(dá)54次，如《晉書》明確記載：“十二月，廬陵、豫章、武昌、西陵地震，涌水出，山崩”。該記載明確記錄了鄱陽湖區(qū)域在東晉大興元年(公元318年)發(fā)生大地震以及明顯的水文狀態(tài)變化。在人類活動(dòng)方面，Shankman等[28-29]認(rèn)為鄱陽湖地區(qū)的土地開墾和修建堤壩是導(dǎo)致湖泊蓄水量下降的主要因素，并且發(fā)現(xiàn)1954—2002年間鄱陽湖水域面積從5 160 km2減少到3 860 km2。此外，在20世紀(jì)60—90年代，五河向鄱陽湖的大量輸沙，由于鄱陽湖流域內(nèi)的森林砍伐和農(nóng)業(yè)等人類活動(dòng)，也明顯加劇了鄱陽湖的泥沙淤積，這些人類活動(dòng)使鄱陽湖蓄水容量在20世紀(jì)90年代降至最小，在一定程度上增加了洪澇災(zāi)害的危害[12]。因此，如要正確理解鄱陽湖的水文變化過程，今后還需從不同時(shí)間尺度，在氣候、新構(gòu)造以及人類活動(dòng)等方面開展大量研究和對比分析，從而分析出影響鄱陽湖歷史演化過程中關(guān)鍵性因素。

6 結(jié)論

本次研究基于鄱陽湖流域1998—2020年23個(gè)氣象站逐日降雨數(shù)據(jù)、鄱陽湖星子水文站水位數(shù)據(jù)以及ArcGIS軟件模擬鄱陽湖水位淹沒范圍，探討多時(shí)間尺度氣候降雨因素對鄱陽湖高水位的變化影響，得到以下結(jié)論。

1)通過對比分析1998年和2020年汛期極端性降雨的特征，發(fā)現(xiàn)1998年降雨時(shí)間的極端性強(qiáng)，而2020年降雨量的極端性強(qiáng)。

2)基于鄱陽湖流域近20年來降雨量極端性分析，單從極端降雨因素不足以解釋鄱陽湖2020年出現(xiàn)新高洪水位事件。

3)基于古文獻(xiàn)記載、ArcGIS軟件模擬反演和近2 000年以來的氣候降雨趨勢分析，氣候降雨因素不足以解釋鄱陽湖初唐時(shí)期與現(xiàn)今水文狀態(tài)的顯著差異。

因此，今后如要研究鄱陽湖的水位變化過程，除了氣候降雨因素外，還需要結(jié)合其它方面來進(jìn)行相關(guān)分析和對比研究。